鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)普通鋼屋架設(shè)計(jì)

1、蘭州交通大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)普通鋼屋架設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：夏修身姓名：靳雄偉學(xué)號(hào)：200901950普通鋼屋架設(shè)計(jì)1、 設(shè)計(jì)資料某車間跨度為30m，柱距為6m,廠房總長(zhǎng)度為90m。車間內(nèi)有一臺(tái)50噸和一臺(tái)20噸中級(jí)工作制軟鉤橋式吊車，吊車軌頂標(biāo)高為+9.00m。冬季最低溫度為-20。屋面采用1.5m*6.0m預(yù)應(yīng)力大型屋面板，屋面坡度為i=1:10 。上鋪80mm厚泡沫混凝土保溫層和二氈三油防水層。屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.7kN/m2雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.5kN/m2，積灰荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.75kN/m2。屋架采用梯形鋼屋架，其兩端鉸支于鋼筋混凝土柱上，上柱截面尺寸為450mm*450mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C

2、25 。鋼材采用Q235-B級(jí)，焊條采用E43型，手工焊。屋架計(jì)算跨度：l0=30-2*1.5=29.7m?？缰屑岸瞬扛叨龋何菁艿闹虚g高度：h=3.490m,在29.7m的兩端高度：h0=2.005m,在30m軸線處端部高度：h0=1.990m。屋架跨中起拱60mm( L/500)。圖1 屋架形式及幾何尺寸屋架上弦支撐布置圖屋架下弦支撐布置圖垂直支撐1-1垂直支撐1-1符號(hào)說(shuō)明：SC-上弦支撐 XC-下弦支撐 CC-垂直支撐 GG-剛性系桿 LG-柔性系桿圖2 屋架支撐布置2、 結(jié)構(gòu)形式與布置屋架形式及幾何尺寸如圖1所示。屋架支撐布置如圖2所示。3、 荷載計(jì)算屋面活荷載與雪荷載不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，從

3、資料可知屋面活荷載大于雪荷載，故取屋面活荷載計(jì)算。屋架沿水平投影面積分布的自重（包括支撐）按經(jīng)驗(yàn)公式（gwk=0.12+0.11l）計(jì)算，跨度單位為m。荷載永久荷載：預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板1.4*1.35=1.89kN/m2二氈三油防水層0.35*1.35=0.4725kN/m2找平層（20mm厚）0.02*20*1.35=0.54kN/m280mm厚泡沫混凝土保溫層0.08*6*1.35=0.648kN/m2屋架和支撐自重(0.12+0.011*30)*1.35=0.608kN/m2管道荷載0.182*1.35=0.2457kN/m2總計(jì) 4.404 kN/m2可變荷載：屋面活荷載0.7*1

4、.4=0.98kN/m2積灰荷載0.75*1.4=1.05kN/m2 總計(jì) 2.03 kN/m2設(shè)計(jì)屋架時(shí)，應(yīng)考慮以下3種荷載組合：（1）、全跨永久荷載+全跨可變荷載全跨節(jié)點(diǎn)永久荷載及可變荷載：F=(4.404+2.03)*1.5*6=57.91kN（2）、全跨永久荷載+半跨可變荷載全跨節(jié)點(diǎn)永久荷載：F1=4.04*1.5*6=39.64kN半跨節(jié)點(diǎn)可變荷載：F2=2.03*1.5*6=18.27kN（3）、全跨屋架包括支撐+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷載全跨節(jié)點(diǎn)屋架自重：F3=0.54*1.5*6=4.86kN半跨節(jié)點(diǎn)屋面板自重及活荷載：F4=(1.68+0.98)*1.5*6=23.94k

5、N（1）、（2）為使用階段荷載情況，（3）為施工階段荷載情況。4、內(nèi)力計(jì)算屋架在上述3種荷載組合作用下的計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3所示。圖3 屋架計(jì)算簡(jiǎn)圖由電算先解得F=1的屋架各桿件的內(nèi)力系數(shù)（F=1作用于全跨、左半跨、右半跨），然后求出各種荷載情況下的內(nèi)力進(jìn)行組合，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。5、桿件設(shè)計(jì)（1）、上弦桿整個(gè)上弦采用等截面，按IJ,JK桿件之最大設(shè)計(jì)內(nèi)力設(shè)計(jì)。N=-1329.03kN=-1329030N上弦桿計(jì)算長(zhǎng)度在屋架平面內(nèi)：為節(jié)間軸線長(zhǎng)度l0x=150.8cm在屋架平面外：根據(jù)支撐布置和內(nèi)力變化情圖4 上弦截面況，取loy=3*150.8=452.4cm。因?yàn)閘0x=3l0x,故截面宜選用兩個(gè)

6、不等肢角鋼短邊相并(圖4)。腹桿最大內(nèi)力N=654.38KN,查表，節(jié)點(diǎn)板厚度選用12mm，支座節(jié)點(diǎn)板厚度用14mm。設(shè)=60，查附錄得=0.807。需要截面面積 A=Nf=13290300.807×215=7659.9mm2需要的回轉(zhuǎn)半徑：ix=lox=150.860=2.51cm iy =loy = 452.460 = 7.54cm根據(jù)需要的A、ix、iy查角鋼規(guī)格表（附錄中附表7），選用2L200*125*12，A=75.824cm2,ix=3.57cm,iy=9.61cm,按所選角鋼進(jìn)行驗(yàn)算：x=loxix=150.83.57=42.24<=150y=loxiy=452

7、.49.61=47.08<=150滿足長(zhǎng)細(xì)比要求。由于x>y，只需求y。查表得y=0.870。NyA=13290300.870*7582.4=201.47N/mm2<215N/mm2所需截面合適。（2）下弦桿整個(gè)下弦采用同一截面，按最大內(nèi)力所在的de桿計(jì)算。Nmax=1286.76kN=1286760Nlox=300cm,loy=1485cm(因跨中有通長(zhǎng)系桿)所需截面積為選用2L180*110*12，因loylox；故用不等肢角鋼短肢相并（圖5）。A=67.424cm2>59.85cm2ix=3.10cm,iy=8.76cmx=loxix=3003.10=96.77&

8、lt;350y=loyiy=14858.76=169.52<350圖5 下肢截面(3)端斜桿aB（圖6）桿件軸力N=-654.38kN=-654380N計(jì)算長(zhǎng)度lox=loy=253.5cm,因?yàn)閘ox=loy，故采用采用不等邊角鋼長(zhǎng)肢相并，使loxloy。選用2L140*90*10，則 圖6 端斜桿截面A=44.522cm2,ix=4.47cm, iy=3.74cmx=loxix=253.54.47=56.71y=loyiy=253.53.74=67.78,y=0.795因y>x。只求y。=NyA=6543800.795*4452.2=184.88N/mm2<215N/mm

9、2所需截面合適。(4)腹桿eg-gk(圖7)此桿在g節(jié)點(diǎn)不斷開(kāi)，采用通長(zhǎng)桿件。最大拉力 Ngk=165.10kN另一段Neg=132.09kN最大拉力Neg=-39.86Kn圖7 eg-gk截面另一段Ngk=-37.09kN再分式桁架中斜腹桿，在桁架平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度取節(jié)點(diǎn)中心間距l(xiāng)ox =230.1cm在桁架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度loy按式(loy=l1(0.75+0.25N2N1)計(jì)算loy=l1(0.75+0.25N2N1)=460.2*(0.75+0.25*37.0939.86)=452.2cm=460.2*(0.75+0.25*37.0939.86)=452.2cm選用2L70*5，由附錄中

10、附表得A=13.75cm2,ix=2.16cm,iy=3.31cmx=230.12.16=106.5<150y=452.13.31=136.6<150,y=0.359=NxA=398600.359*1375=80.75N/mm2<215N/mm2拉應(yīng)力=NA =1651001375=120.07N/mm2<215N/mm2(5)豎桿Ie(圖8)N=-86.87=-86870Nlox=0.8l=0.8*319=255.2cmloy=l=319cm內(nèi)力較小，按=150選擇，需要的回轉(zhuǎn)半徑為ix=lox=255.2150=1.70cmiy=loy=319150=2.13cm查

11、型鋼表，選截面的ix和iy較上述計(jì)算的ix和iy略大些。選用2L63*5，截面幾何尺寸特性A=12.286cm2, ix=1.94cm,iy=3.04cm x=2551.94=131.4<150,x=0.381 y=3193.04=105.0<150因x>y，只求x。=NxA=868700.381*1228.6=185.58N/mm2<215N/mm2圖8 Ie截面其余各桿件的截面選擇計(jì)算過(guò)程不一一列出，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果列于表2中。6、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（1）下弦節(jié)點(diǎn)“b”（圖9）各桿件內(nèi)力計(jì)算由表1查得。這類節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)步驟是：先根據(jù)腹桿的內(nèi)力計(jì)算腹桿與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫的尺寸，即hf和

12、lw,然后根據(jù)lw的大小按比例繪出節(jié)點(diǎn)的形狀和尺寸，最后驗(yàn)算下弦桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫。用E43型焊條角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ffw=160N/mm2。設(shè)“Bb”桿的肢背和肢尖焊縫hf=8mm和6mm,則所需的焊縫長(zhǎng)度為：肢背：lw'=0.7N2heffw=0.7*5298802*0.7*8*160=207mm,取23cm。圖9 下弦節(jié)點(diǎn)“b”肢尖：lw "=0.3N2heffw=0.3*5298802*0.7*8*160=118.3mm,取13cm。 設(shè)“bD”桿的肢背和肢尖焊縫分別為8mm和6mm，則所需焊縫長(zhǎng)度為：肢背：lw'=0.7*4314302*0

13、.7*8*160=168.5mm,取19cm。肢尖：lw "=0.3*4314302*0.7*8*160=96.3mm,取11cm。“Cb”桿的內(nèi)力很小，焊縫尺寸可按構(gòu)造確定，取hf=5mm。根據(jù)上面求得的焊縫長(zhǎng)度,并考慮桿件之間應(yīng)有的間隙以及制作和裝配等誤差,按比例繪出節(jié)點(diǎn)詳圖,從而確定節(jié)點(diǎn)板尺寸為390mm*460mm。下弦與節(jié)點(diǎn)板連接的焊縫長(zhǎng)度為46cm，hf=6mm。焊縫所受的力為左右兩下弦桿內(nèi)力差N=880.23-350.46=529.87kN，受力較大的肢背處的焊縫應(yīng)力為f=0.75*5298702*0.7*6*(460-12)=105.6N/mm2<160N/mm

14、2焊縫強(qiáng)度滿足要求。(2)上弦節(jié)點(diǎn)“B”(圖10)“Bb”桿與節(jié)點(diǎn)板的焊縫尺寸和節(jié)點(diǎn)“b”相同。圖 10 上弦節(jié)點(diǎn)“B”“aB”桿與節(jié)點(diǎn)板的焊縫尺寸按上述同樣方法計(jì)算：NaB=654.38kN肢背：hf=10mm l'=0.65*6543802*0.7*10*160=189.89mm，取21cm肢尖：hf=8mml"=0.35*6543802*0.7*8*160=127.81mm，取15cm為了便于在上弦上擱置屋面板，節(jié)點(diǎn)板的上邊緣可以縮進(jìn)上弦肢背8mm。用槽焊縫把上弦角鋼和節(jié)點(diǎn)板連接起來(lái)。槽焊縫作為兩條角焊縫計(jì)算，焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以0.8的折減系數(shù)。計(jì)算時(shí)可以略去屋架上弦

15、坡度的影響，而假定集中荷載P與上弦垂直。上弦肢背槽焊縫內(nèi)的應(yīng)力為hf'=12*節(jié)點(diǎn)板厚度=12*12=6mm,hf"=10mm上弦與節(jié)點(diǎn)板間的焊縫長(zhǎng)度為505mm。K1(N1-N2)2+(P2*1.22)22*0.7hf'lw'=(0.75*663070)2+(579102*1.22)22*0.7*6*(505-12)=120.22N/mm2<0.8ffw=0.8*160=128N/mm2上弦肢尖角焊縫的剪應(yīng)力為K1(N1-N2)2+(P2*1.22)22*0.7hf"lw"=(0.25*663070)2+(579102*1.22)2

16、2*0.7*6*(505-20)=24.66N/mm2<160N/mm2此節(jié)點(diǎn)亦可按另一種方法驗(yàn)算。節(jié)點(diǎn)荷載有槽焊縫承受，上弦兩相鄰節(jié)點(diǎn)內(nèi)力差由角鋼肢尖焊縫承受，這時(shí)槽焊縫肯定是安全的，肢尖焊縫驗(yàn)算如下fN=N1-N22*0.7hf"lw"=6630702*0.7*10*480=98.67N/mm2fM=6M2*0.7hf"lw"2=6*663070*952*0.7*10*4802=117.17N/mm2(fN)2+(fM1.22)2=98.672+(117.171.22)2=137.70N/mm2<160N/mm2(3)屋脊節(jié)點(diǎn)“K”(圖1

17、1)圖11 屋脊節(jié)點(diǎn)“K”弦桿一般都采用同號(hào)角鋼進(jìn)行拼接，為使拼接角鋼與弦桿之間能夠密合，并便于施焊，需將拼接角鋼削去尖角，且截去垂直肢的一部分寬度(一般為t+hf+5mm)。拼接角鋼的這部分削弱，可以靠節(jié)點(diǎn)板來(lái)補(bǔ)償。接頭一邊的焊縫長(zhǎng)度按弦桿內(nèi)力計(jì)算。設(shè)焊縫hf=10mm，則所需焊縫計(jì)算長(zhǎng)度為（一條焊縫）hf=13290304*0.7*10*160=296.66mm拼接角鋼的長(zhǎng)度取740mm>2*296.66=593.32mm。上弦與節(jié)點(diǎn)板之間的槽焊，假定承受節(jié)點(diǎn)荷載，驗(yàn)算略。上弦肢尖與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫，應(yīng)按上弦內(nèi)力的15%計(jì)算。設(shè)肢尖焊縫hf=10mm，節(jié)點(diǎn)板長(zhǎng)度60cm,則節(jié)點(diǎn)一側(cè)弦

18、桿焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度為lw=602-1-2=27cm(圖11),焊縫應(yīng)力為：fN=0.15*13290302*0.7*10*270=52.74N/mm2fM=0.15*1329030*95*62*0.7*10*2702=111.34N/mm2(fN)2+(fM1.22)2=52.742+(111.341.22)2=105.41N/mm2<160N/mm2因屋架的跨度較大，需將屋架分成兩個(gè)運(yùn)輸單元，在屋脊點(diǎn)和下弦跨度中節(jié)點(diǎn)設(shè)置工地拼接，左半的上弦、斜桿和豎桿與節(jié)點(diǎn)板連接用工廠焊縫，而右半邊的上弦、斜桿與節(jié)點(diǎn)板的連接用工地焊縫。腹桿與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫計(jì)算方法與以上幾個(gè)節(jié)點(diǎn)相同。（4）支座節(jié)點(diǎn)“a”

19、(圖12)為了便于施焊，下弦桿角鋼水平肢的底面與支座底板的凈距離取160mm。在節(jié)點(diǎn)中心線上設(shè)置加勁肋，加勁肋的高度與節(jié)點(diǎn)板的高度相等，厚度為14mm。支座底板的計(jì)算支座反力：R=579100N支座底板的平面尺寸采用280mm*400mm，如僅考慮有加勁肋部分承受支座反力，則承受面積為280*234=65520mm2。圖12支座節(jié)點(diǎn)“a” 驗(yàn)算柱頂混凝土的抗壓強(qiáng)度=RAn=57910065520=8.84N/mm2<fc=12.5N/mm2式中fc混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)C25混凝土，fc=12.5 N/mm2底板的厚度按屋架反力作用下的彎矩計(jì)算，節(jié)點(diǎn)板和加勁肋將底板分成4塊，每塊板為兩相鄰邊支撐面另兩相鄰邊自由的板，每塊板的單位寬度的最大彎矩為M=2a22式中 底板下的平均應(yīng)力, =579100280*234=8.84 N/mm2；a2兩支撐邊之間的對(duì)角線長(zhǎng)度，a2=(140-142)2+1102=172.6mm；2系數(shù)，由b2a2查表而定，b2為兩支撐邊的相交點(diǎn)到對(duì)角線a2的垂直距離(圖12)。由相似三角形的關(guān)系，得b2=110*133172.6=84.8mm，b2a2=84.8172.6=